CC BY
22
m I C рКь (в}) PK2; (62) pK3; (б3) 4 ■ lo5
1 0,1 1,96 8,34 (1) - - 2,11
0,4 1,87 8,12 (1) - - 3,12
1,0 1,60 7,97 (1) - - 7,25
2 0,1 1,93 5,00 (0,07) 8,40; (0,93) - 0,33
0,4 1,47 5,06 (0,07) 8,37; (0,93) - 0,51
1,0 1,32 5,12 (0,07) 7,98; (0,93) - 4,1
3 0,1 1,81 4,76 (0,07) 8,14; (0,31) 8,73; (0,62) 0,19
0,4 1,76 4,93 (0,06) 8,63; (0,33) 8,76; (0,61) 0,62
1,0 1,41 5,35 (0,11) 8,65; (0,39) 8,48; (0,50) 0,16
Таблица 2 - Результаты обработки кривых титрования с применением модели DDLM
m I pKf, (во PK2; (62) PK3; (вз) s2, ■ 105
1 0,1 7,73; (1) - - 4,88
0,4 7,57; (1) - - 7,38
1,0 7,53; (1) - - 6,50
2 0,1 5,00; (0,03) 8,05; (0,97) - 1,11
0,4 5,00; (0,04) 8,20; (0,96) - 2,63
1,0 5,00; (0,09) 8,13; (0,91) - 1,38
3 0,1 5,00; (0,04) 8,05; (0,76) 8,05; (0,2) 1,08
0,4 5,06; (0,08) 8,19; (0,74) 8,19; (0,2) 0,25
1,0 5,09; (0,10) 8,11; (0,41) 8,11; (0,49) 1,25
Следует отметить, что описание кислотных свойств поверхности с учетом четырех и более процессов приводит к неоднозначному решению и требует специальных подходов.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
Модель диффузного двойного электрического слоя более предпочтительна для описания кислотно-основных свойств поверхности угля по сравнению с моделью слоя постоянной емкости. Учет различной реакционной способности поверхностных групп в уравнении зависимости заряда поверхности от рН позволяет вести расчет констант ионизации различных активных центров поверхности, а также вычислять долю этих центров относительно других.
Список литературы
1 Davis J. A., Kent D. B. Surface ComplexationModeling ,in
Aqueous Geochemistry // Min. Soc. Am. ReviewsinMineralogy. Vol. 23, P. 177 - 260.
2 Власова Н. Н. Сравнение моделей комплексообразования
на поверхности для количественного описания кислотных свойств высокодисперсного кремнезема // Химия, физика и технология поверхности. - 2008. -№ 14. - С. 6-15.
3 Kosmulski M. Chemical properties of material surfaces. - New-
York - Basel : Marcel Dekker, 2001. - 780 p.
4 Холин Ю. В. Количественный физико-химический анализ
комплексообразования в растворах и на поверхности химически модифицированных кремнеземов: содержательные модели, математические методы и их приложения. - Харьков : Фолио, 2000. - 290 с.
5 Shafeeyan M. S. A review on surface modification of activated
carbon for carbon dioxide adsorption / W.M.A. Wan Daud, A. Houshmand, A. Shamiri // Journal of Analytical and
Applied Pyrolysis. 89. 2010. P. 143-151.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 14-4300017 р_урал_а
УДК 577:574.24:591.1:351.777.61
О.М. Плотникова12, С.Ю. Максимовских2, Б.И. Кудрин2, А.Н. Евдокимов2 1 Курганский государственный университет 2Региональный Центр государственного экологического контроля и мониторинга объектов по хранению и уничтожению химического оружия по Курганской области
МОНИТОРИНГОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИВОТНОГО И РАСТИТЕЛЬНОГО МИРА В РАЙОНЕ РАСПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА ПО УНИЧТОЖЕНИЮ ХИМИЧЕСКОГО ОРУЖИЯ В ЩУЧАНСКОМ РАЙОНЕ КУРГАНСКОЙ ОБЛАСТИ
Аннотация. Представлены результаты биологического мониторинга в районе расположения объекта
по хранению и уничтожению химического оружия в Щучанском районе Курганской области (объект «Щучье») в зоне защитных мероприятий. Биологический мониторинг в районе объекта «Щучье» проводится с 2008 года методами лесопатологических исследований, лихеноиндикации, по показателям индикаторных видов агробиоценозов и мелких грызунов и указывает на отсутствие негативного влияния объекта «Щучье» на состояние природной среды в районе его расположения.
Ключевые слова: биомониторинг, мелкие грызуны, лихеноиндикация, агробиоценоз, уничтожение химического оружия.
O.M. Plotnikova12, S.Y. Maksimovskikh2, B.I. Kudrin2, A.N. Evdokimov2 Kurgan State University
2 The regional Center for government ecological control and monitoring of the objects of storage and destruction of chemical weapons in Kurgan Oblast
SURVEILLANCE STUDIES OF FLORA AND FAUNA IN THE AREA OF THE CHEMICAL WEAPONS DESTRUCTION FACILITY IN SHCHUCHYE DISTRICT OF KURGAN OBLAST
Abstract. The article presents the results of the biological monitoring in the area of the chemical weapons storage and destruction facility in Schuchye district of Kurgan Oblast (Shchuchye object) in the protective action zone. Biological monitoring of the area "Shchuchye" has been held since 2008 by means of forest pathology research methods, lichen indication, using indicator species of agrobiocenoses and small rodents, and indicates the absence of the negative impact of Shchuchye project on the state of the environment in the area of its location.
Keywords: biological monitoring, lichen indication, small rodents, agrobiocenosis, destruction of chemical weapons.
ВВЕДЕНИЕ И ИСТОРИЯ ВОПРОСА
Федеральная целевая программа «Уничтожение запасов химического оружия в Российской Федерации» (принята в марте 1996 г.) и Федеральный закон «Об уничтожении химического оружия» (принят в мае 1997 г.) стали основой для выполнения «Конвенции о запрещении разработки, производства, накопления и применения химического оружия и его уничтожении», открытой для подписания в Париже в январе 1993 года. Конвенция вступила в силу 29 апреля 1997 года, когда была ратифицирована большинством ее стран-участников. Россия ратифицировала Конвенцию 5 ноября 1997 года и после ратификации объявила о наличии 24 бывших объектов по производству химическо-
го оружия (ХО) и около 40 тысяч тонн общих запасов отравляющих веществ [20; 21]. К 2010 году из бывших объектов по производству ХО восемь были уничтожены полностью и пятнадцать перепрофилированы на производство мирной продукции, что подтверждалось сертификатами организации по запрещению химического оружия (ОЗХО). На конец августа 2014 года в России уничтожено более 82% всего запаса химического оружия.
Промышленное производство ХО в России было полностью прекращено в 1987 г., основными отравляющими веществами (ОВ) которого являлись фосген общеудушающего действия, иприт, люизит кожно-нарывного действия и фосфорорганические ОВ зарин, зоман, вещество типа ви-икс нервнопарали-тического действия. Все запасы химического оружия в России к этому времени были сосредоточены на семи арсеналах хранения: в Удмуртии (пос. Камбар-ка и Кизнер) и Брянской (г. Почеп), Саратовской (г. Горный), Пензенской (пос. Леонидовка), Кировской (пос. Марадыковский), Курганской (пос. Плановый) областях.
Особенностью арсенала в пос. Плановый Щучан-ского района, который был создан на базе передислоцированного в сентябре 1941 года военного склада из г. Кунгура Пермской области и переименован в 1947 году в центральную артиллерийскую базу боеприпасов, является хранение химических боеприпасов ракетных войск и артиллерии. С 1987 года этот объект известен как арсенал хранения химического оружия в г. Щучье (объект «Щучье»). Техническая территория хранения ХО занимает площадь 253 га, на которой запасы химических оружия до недавнего времени составляли около 5,5 тыс. т фосфорорганических ОВ с общей формулой R0СН3P(0)X - зарин, зоман и вещество типа ви-икс, а также фосген. Фосген в 2001 году был перетарен из снарядов в металлические бочки и вывезен из Щучанского района. На заводе по уничтожению ХО, который начал свою работу в мае 2009 года, к июлю 2012 года уничтожено около 3 тыс. т зарина (изопропилметилфторфосфоната), к концу 2013 года - около 1,8 тыс. т зомана (пинаколилметилфтор-фосфоната). В настоящее время в 2014 году на объекте «Щучье» идет уничтожение запасов отравляющего вещества типа ви-икс ^Х, 0-изобутил^-2-^^-диэ-тиламино)этилтиолметилфосфоната), которого было на хранении около 0,7 тыс. т.
Для объекта «Щучье» (арсенала хранения и завода по уничтожению ХО) утверждена единая зона защитных мероприятий (ЗЗМ) площадью 750 км2. Достаточно большой размер ЗЗМ обусловлен тем, что арсенал хранения и завод по уничтожению химического оружия расположены на расстоянии 12 км друг от друга и соединены железнодорожным путем. В ЗЗМ объекта в 20 населенных пунктах (г. Щучье, п. Плановый, села Чумляк, Пуктыш, Нифанка и др.) проживает около 16 тыс. жителей. Здесь находятся железнодорожная и автомобильная магистрали Челябинск-Курган, водная система реки Миасс с притоками рек Чумляк и Чумлячка, озера Пуктыш, Панькино, Наумовс-кое, Песчаное, Фролиха, Нифановское, множество
болот, а также Чумлякское месторождение подземных вод.
На состояние природной среды ЗЗМ оказывают влияние сельское хозяйство как основной фактор воздействия на ландшафты; Челябинский промышленный узел, объем выбросов загрязняющих веществ которого в атмосферный воздух более чем в 2 раза превышает совокупный объем выбросов Курганской области, а сброс загрязненных сточных вод из Челябинской области по реке Миасс приводит к тому, что на входе в Курганскую область вода реки Миасс содержит нефтепродуктов, фосфатов, меди, железа от 5 до 10 ПДК; производственное объединение «Маяк» в 100120 км от объекта, имеющее большой объем хранящихся радиоактивных отходов; промышленные предприятия, транспорт и коммунальное хозяйство Щучан-ского района, хотя их влияние имеет незначительный и локальный характер; застойный режим увлажнения части территории, повышенные концентрации радона. Таким образом, природная среда в Щучанском районе находится под многофакторным техногенным воздействием, к которому добавляется воздействие объекта по уничтожению ХО.
Начиная с 2004 года в ЗЗМ объекта «Щучье» были начаты фоновые наблюдения за качеством природной среды (воздуха, воды, почвы, снега), а с 2008 года -за состоянием растительного и животного мира. С началом работы объекта «Щучье» с мая 2009 года проводится регулярный государственный экологический контроль и мониторинг окружающей среды в ЗЗМ объекта, в том числе биологический мониторинг.
Возможное влияние объекта по уничтожению ХО на окружающую среду оценивается, прежде всего, по концентрации общепромышленных и специфических загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, почве, поверхностной природной воде и донных отложениях рек и озер ЗЗМ, а также в промышленных выбросах и сбросах сточных вод. Для контроля общепромышленных загрязняющих веществ имеются все необходимые методики измерений и установлены соответствующие нормативы - предельно допустимые или ориентировочно допустимые концентрации (ПДК, ОДК), ориентировочно безопасные уровни воздействия (ОБУВ), предельно допустимые выбросы (ПДВ) и нормативы допустимых сбросов (НДС).
Однако не менее важной является оценка потенциального специфического химического воздействия, связанного с возможной миграцией продуктов деток-сикации и деструкции фосфорорганических ОВ в атмосферу, поверхностные и грунтовые воды, почву, донные отложения, из которых они могут поступать по пищевым цепям в биологические объекты растительного и животного происхождения. Кроме того, при попадании в природную среду фосфорорганических ОВ, продуктов их деструкции и компонентов дегазирующих смесей возможна их биодеградация, а также трансформация в другие вещества при химическом взаимодействии с соединениями, находящимися в природных средах, которые являются активными биореакторами. Так, в состав воздуха входят такие сильные природные окислители, как кислород и озон, а благодаря промышленности и автотранспорту в воз-84
духе достаточно оксидов углерода, азота, серы, серной кислоты, углеводородов, ацетона, сложных эфи-ров, бензпиренов, диоксинов и других веществ. Природная вода - хороший растворитель для протекания химических реакций и среда обитания микроорганизмов. Почва как сложная природная среда, состоящая из воды, воздуха, почвенных организмов, минеральных и органических веществ, в том числе органических кислот, белков, ферментов, углеводов, липидов, лигнина, содержит множество реакционных центров для химических превращений.
Возможные пути и продукты трансформации фосфорорганических ОВ и веществ их промышленного гидролиза в природных средах определяются строением и реакционной способностью этих соединений. Технологические стадии обезвреживания фосфорор-ганических ОВ включают взаимодействие зарина и зомана с водным раствором моноэтаноламина, взаимодействие /X с активными компонентами рецептуры РД-4М, в состав которой входят изобутилат и гидро-ксид калия, изобутанол, ^метилпирролидон и е-кап-ролактам, взаимодействие с водными растворами щелочей остаточных количеств ОВ и их пиролиз (термодеструкция) [1, 17, 19]. Вещества дегазирующих смесей и продукты их деструкции, при возможном поступлении в природную среду, в силу своей реакционной способности, могут реагировать с природными веществами и участвовать в процессах метаболизма.
При достаточно большом количестве веществ, образующихся как продукты детоксикации и деструкции ОВ и веществ дегазирующих составов, попадающих в окружающую среду в условиях штатного режима работы объекта в очень низких концентрациях, организовать эффективный экологический мониторинг только средствами аналитической химии весьма затруднительно. Химико-аналитический контроль не учитывает и комбинированный характер действия загрязнителей, когда влияние каждого из них может дополнять, усиливать или подавлять друг друга. Существенным недостатком является и отсутствие достаточной информации о влиянии поллютантов на биологические объекты.
В настоящее время основными маркерами при контроле содержания фосфорорганических ОВ в природных средах считаются достаточно устойчивые к разложению метилфосфоновая кислота (МФК) и ее кислые эфиры, которые в силу своего строения могут быть посредниками свободно-радикальных процессов, влияя на работу антиоксидантной системы организма живых организмов [14; 15].
Все это указывает на важность проведения биологического мониторинга растительного и животного мира - системы наблюдений, оценки и прогноза изменений в биотических компонентах природного комплекса, вызванных факторами антропогенного происхождения. Важность биологического мониторинга подчеркивается и тем, что механизм воздействия токсичных веществ на животных (особенно теплокровных) схож с механизмом их воздействия на человека. Кроме того, важнейшей задачей является умение оценить
влияние загрязнения в биологических объектах на самой их ранней стадии, когда они еще не приняли необратимого характера. Для достижения максимальной информативности биологического мониторинга при обеспечении оперативности и экономичности сбора материала требуется отбор наиболее показательных видов. В качестве индикаторных сообществ могут выступать почвенная микро- и мезофауна, мелкие млекопитающие с высокой численностью и неподверженностью к миграциям, рептилии, амфибии, озерные рыбы, типичные представители лесных и луговых фи-тоценозов и агробиоценозов.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Биологический мониторинг проводился сотрудниками аккредитованных лабораторий биомониторинга и экотоксикологии Регионального центра государственного экологического контроля и мониторинга объектов по хранению и уничтожению химического оружия по Курганской области, которые имеют аттестаты аккредитации № РОСС RU.0001.515937 от 24.09.2009 г. и № РОСС RU.0001.517720 от 28.01.2010 г., а также достаточное количество аттестованных методик для производства работ методами биоиндикации и биотестирования. Проведению биологического мониторинга и выбору объектов биомониторинга в ЗЗМ объекта по уничтожению химического оружия в Щучанском районе предшествовало обследование природного комплекса этого района.
1 Результаты обследования природного комплекса ЗЗМ объекта «Щучье» и обоснование объектов биомониторинга
Исследуемая территория расположена в юго-западной части Западно-Сибирской низменности [6]. Рельеф района исследований равнинный с общим слабым уклоном с юга на север. Абсолютные высоты водоразделов незначительны и изменяются в пределах 180-230 м над уровнем моря. Перепад высот от водоразделов к руслу Миасса составляет 75-80 м.
К характерным особенностям исследуемой территории относятся слабый дренаж участка Исеть-Ми-асского и Миасс-Уйского водоразделов и близкое к поверхности горизонтальное залегание водоупорных глин, что определяет близость грунтовых вод. Этим объясняется расположение на этой территории множества блюдцевидных западин глубиной до 2-3 м и диаметром от 10-50 м до 1-3 км, которые сформировались при просадке грунта в результате выщелачивания из него солей или механического действия вод, когда-то покрывавших зауральские степи. Западины заняты пресными и солеными озерами, низинными болотами, ивняками, мелколиственными колками. Наибольшие по площади озера ЗЗМ - Песчаное, Зайко-во, Пуктыш, Наумовское, Никитино, Нифановское и Щучье. Вытянутые котловинообразные поймы мелких притоков Миасса (реки Чумляк и Чумлячка) практически не оказывают влияния на дренаж территории.
Особенности рельефа и гидрологической сети в ЗЗМ объекта обуславливают разнообразие почв и растительности.
Почвенный покров определяется микро- и мезорельефом, составом почвообразующих пород и в значительной степени зависит от колебаний уровня и химизма грунтовых вод. По механическому составу почвы района преимущественно тяжелосуглинистые и глинистые - около 66%, на среднесуглинистые приходится около 30% и на легкосуглинистые и супесчаные почвы - 4% [4]. Территориальное распределение почвенного покрова определяется рельефом местности: на возвышенностях преимущественно черноземные почвы, занимающие до 30% площади района. На засоленных породах формируются солончаки, луго-во-солончаковые почвы, частично солонцы. На легких по механическому составу породах формируются серые лесные почвы, к которым приурочены березовые колки. В пойме Миасса распространены аллювиальные почвы, которые заняты лугами, пойменными ивняками, пойменными низинными болотами. Значительные площади аллювиальных почв распаханы и имеют сельскохозяйственное назначение. По химическому составу для почв Щучанского района характерно пониженное содержание гумуса и азота, достаточное содержание калия, среднее - фосфора и повсеместное повышенное содержание соединений меди и марганца.
Зональный тип растительности - луговые степи и степные луга, перемежающиеся с березовыми и бе-резово-осиновыми лесами, низинными болотами на месте заросших пресных озер и солонцовыми лугами [18]. На территории ЗЗМ объекта по уничтожению ХО нередко отмечается характерное для Зауралья явление периодической гибели березовых колков. Среди основных причин - близкое к поверхности почти горизонтальное залегание водоупорных слоев, равнин-ность и слабая дренажность территории в сочетании с периодическим увеличением количества осадков и понижением температур вегетационного периода в отдельные годы.
Разнообразие природных условий Щучанского района определяет широкий набор жизненных форм растений, включающий древесные, полудревесные и травянистые типы семенных растений, травянисто- и кустарничковидные типы высших споровых. В границах ЗЗМ объекта по уничтожению ХО произрастает 623 вида сосудистых растений из 744 видов из списка флоры Щучанского района [12]. В числе дикорастущих аборигенные таксоны (591 вид) и адвентивные, появившиеся на данной территории благодаря непреднамеренному заносу (ксенофиты). В пределах ЗЗМ объекта произрастают 16 видов растений из Красной книги Курганской области [9].
Лесопокрытая площадь составляет 19%, что несколько ниже среднего показателя степени лесистости Зауральской лесостепи. Древесная растительность Щучанского района представлена 12 видами деревьев, 25 видами кустарников и 11 видами кустарничков. На водоразделах широко представлены березовые, березово-осиновые и осиновые леса. Хвойно-лесная группа в ЗЗМ объекта малочисленна (4 вида) в виду отсутствия естественной боровой растительности на этом участке. Подлесок развит неравномерно, от до-
вольно густого до одиночных кустарников: вишня, малина, лесные виды ив, кизильник черноплодный, ракитник русский, шиповники майский, иглистый и гололист-ный, смородина щетинистая, встречаются заросли и степных кустарников: таволга городчатая, ракитник.
Луговые, степные и галофитные сообщества ЗЗМ объекта по уничтожению химического оружия представлены 322 видами, что составляет около 50% флористического списка. На пологих участках пойм Ми-асса и Чумляка широко представлены мезофитно-лу-говые сообщества с участием мезофитных трав. Огромное количество мелководных озер обусловливают пеструю картину прибрежной, водной и болотной растительности. Растительность водоемов включает не менее 84 прибрежно-болотных и 32 водных видов: земноводных, полностью погруженных, плавающих на поверхности или имеющих плавающие листья. Это число дополняют группы лугово-болотных и болотно-лесных видов, способных выдерживать длительное затопление. Соленые озера лишены высшей водной растительности, их берега заняты солончаковыми комплексами и зарослями тростника.
Наибольшие по площади болотные массивы представлены низинными осоковыми, осоково-разнотрав-ными болотами - тростниковыми, тростниково-осоко-выми и манниковыми, которые, являясь типичными для южной части Западно-Сибирской равнины, играют важную роль в поддержании уровня и степени минерализации грунтовых вод.
Таким образом, разнообразие природных условий в районе объекта по уничтожению химического оружия в Щучанском районе предопределило разработку базовых стационарных площадок (СП) для проведения биомониторинга.
Для химико-аналитических исследований в ЗЗМ для объекта по уничтожению ХО «Щучье» определено 158 точек пробоотбора, которые имеют географическую привязку и отмечены на местности реперами. Изначально при построении системы пробоотбора за основу было принято радиальное расположение точек пробоотбора, выведенное на основании математических расчетов и учитывающее вероятность распределения концентраций загрязняющих веществ относительно источников загрязнения - арсенала хранения и завода (промзоны) уничтожения ХО.
Из точек пробоотбора для химико-аналитических исследований для каждого вида биологического мониторинга с учетом специфики наблюдений было определено по несколько СП. В связи с тем, что для ЗЗМ характерно наличие березовых и осиновых колок, достаточное количество лишайников, посевов злаковых культур, мелких грызунов, биологический
мониторинг проводился методами лесопатологии на 6 СП (№№ 33, 35, 40, 56, 89, 34), лихеноиндикации на 6 СП (№№ 33, 35, 40, 56, 89, 98), по показателям агроби-оцинозов и мелких грызунов индикаторных видов на 6 СП (№№ 33, 35, 41, 56, 26, 28) (таблица 1, рисунок 1).
Рисунок 1 - Схема расположения постоянных стационарных площадок в ЗЗМ объекта по уничтожению химического оружия в Щучанском районе Курганской области
2 Результаты лесопатологического мониторинга в ЗЗМ объекта «Щучье»
Лесопатологическое состояние насаждений - характеристика насаждений по комплексу признаков, в том числе по соотношению деревьев разных категорий состояния, доле сухостоя и валежника, повреж-денности насаждений вредителями, болезнями и другими неблагоприятными факторами среды природного и антропогенного характера. Лесопатологический мониторинг на территории ЗЗМ объекта «Щучье» проводился в соответствии со статьей 56 Лесного кодекса Российской Федерации и приказа МПР РФ «Об утверждении порядка организации и осуществления лесопатологического мониторинга» (№ 174 от 09.07.2007 г.).
При лесопатологическом обследовании проводи-
Таблица 1 - Расположение стационарных площадок биологического мониторинга в ЗЗМ объекта «Щучье»
Расположение СП относительно источника загрязнения Номера СП в системе пробоотбора
Второй радиус от промзоны объекта - 2,3 км 26, 28, 33, 34, 35, 40
Третий радиус от промзоны объекта - 4,2 км 41
Четвертый радиус от промзоны - 5,9 км и пятый радиус от арсенала - 8,3 км 56
Первый радиус от арсенала - 2,0 км 89, 98
ли визуальную оценку состояния - натурную лесопа-тологическую таксацию жизнеспособности деревьев по кроне (основной признак), а также по дополнительным признакам - повреждения коры, корневых лап, наличие стволовых вредителей и грибных болезней. Дополнительно обследовали насаждения на наличие в них очагов насекомых-вредителей. Лесопатологиче-ское обследование лесов в ЗЗМ объекта по уничтожению химического оружия в Щучанском районе проведено в 2009 и 2012 годах (один раз в три года), следующее обследование лесов ЗЗМ планируется в 2015 г.
В целом лесопатологическое состояние древостоя на биоиндикационных СП по результатам обследования признано удовлетворительным по мягколиствен-ному и хорошим по хвойному хозяйству. Для лесов Курганской области характерны две главные причины ослабления древостоя: вымокание - переувлажнение почвы под воздействием почвенно-климатических факторов - естественный фактор, характерный для лиственных лесов, и низовые пожары разной степени интенсивности антропогенного характера.
Для лесов ЗЗМ низовые пожары 2009 года привели к обгоранию корней и коры деревьев и выгоранию лесной подстилки (кроме СП 33, 56 и 89), что вызвало значительное ослабление деревьев и снижение качества кроны. Отсутствие пожаров в 2012 году способствовало восстановлению лесов ЗЗМ. Обнаружены единичные ветровалы и буреломы деревьев (кроме СП 89). Так как 2009-2012 годы характеризовались небольшим количеством осадков в осенне-зимнее время и недостаточным увлажнением в вегетационный период, это благоприятно сказалось на гидрологическом режиме в лесных массивах. В 2012 году в момент обследования лесов очагов насекомых-вредителей не выявлено, что подтверждалось отсутствием дефолиации. Из насекомых-вредителей единично встречались непарный шелкопряд и большой березовый пилильщик. Для березы характерно поражение ложным трутовиком, для осины - сердцевинной гнилью; сухостойные деревья заселены и отработаны стволовыми вредителями (лубоеды, усачи, златки).
По интегрально-балльной оценке состояния деревьев по комплексу визуальных признаков (густоте и цвету кроны, наличию и доле усохших ветвей, состоянию коры и др.), согласно «Методическим рекомендациям по государственной инвентаризации лесов» (приказ Рослесхоза № 472 от 10.11.2011 г. в ред. 2013 г.), выделяют 6 основных категорий: 1 - без признаков
ослабления, 2 - ослабленные, 3 - сильно ослабленные, 4 - усыхающие, 5 - сухостой текущего года, 6 -сухостой прошлых лет. Рассчитанная средняя категория состояния деревьев в 2009 и 2012 годах на всех биоиндикационных стационарных площадках ЗЗМ сопоставима и находилась в пределах методики проведения натурной лесопатологической таксации (таблица 2), что указывает на хорошее и удовлетворительное состояние насаждений.
Таким образом, можно утверждать, что лесные массивы в ЗЗМ объекта «Щучье» не испытывают дополнительной негативной нагрузки, помимо установленных факторов ослабления, и являются в целом стабильными системами. В сравнении с предпусковым периодом объекта (2009 г.), когда впервые на биоиндикационных СП был проведен лесопатологический мониторинг, состояние лесов ЗЗМ в 2012 году не ухудшилось.
3 Результаты исследований качества атмосферного воздуха методом лихеноиндикации в ЗЗМ объекта «Щучье»
Лишайники как широко распространенные организмы с высокой устойчивостью к изменениям климатических факторов и чувствительностью к загрязнителям окружающей среды используются для мониторинга качества атмосферного воздуха. Кроме того, как многолетние медленно растущие организмы, лишайники долго сохраняют однообразное строение, их части не подвергаются сезонной смене, поэтому лишайники являются интегральным индикатором состояния среды и косвенно отражают общую «благоприятность».
Из всех экологических групп лишайников наибольшей чувствительностью к загрязнителям обладают эпифитные лишайники (эпифиты), т.е. лишайники, растущие на коре деревьев. Они чувствительны к содержанию в воздухе загрязняющих веществ, входящих в состав выбросов большинства промышленных производств. Установлено, что при повышении степени загрязнения воздуха первыми исчезают кустистые, затем листоватые и последними накипные (корковые) формы лишайников [3, 16].
Определение экологических рядов выносливости (полеотолерантности) лишайников основано на регистрации видового состава с удалением от источника загрязнения.
Разработаны методы оценки загрязнённости ат-
№ СП Главная Средняя категория состояния Средняя категория состояния Изменение,
порода деревьев в 2009 г., единиц деревьев в 2012 г., единиц единиц
33 сосна 1,76 1,72 0,04
34 береза 1,81 1,73 0,08
35 береза 2,04 2,21 -0,17
40 береза 2,49 2,52 -0,03
56 береза 1,76 1,74 0,02
89 береза 1,78 1,64 0,14
Средняя на всех СП: 1,94 1,93 0,01
Таблица 2 - Категории состояния деревьев в ЗЗМ объекта «Щучье» в 2009 и 2012 гг.
мосферного воздуха на основе вычисления индексов. Характеристикой степени загрязнения атмосферы служат процент деревьев, покрытых лишайниками, степень проективного покрытия и изменение количества индикаторных видов.
Исследования лишайников в ЗЗМ объекта по уничтожению химического оружия проводили совместно с лесопатологическими исследованиями в 2009 и 2012 годах. На каждом дереве закладывали по 4 площадки размером 100 см2. Для повторного обследования проводили точную и устойчивую маркировку учётной площади на дереве. Фиксировался видовой состав всех лишайников, которые представлены на стволе дерева в пределах учётной площадки, отмечалось, в каком числе квадратов представлен каждый вид (встречаемость).
Согласно биоморфологическому составу лихено-флоры в ЗЗМ объекта «Щучье» преобладают листоватые (40%), кустистые (36%) и накипные (24%) лишайники. В экологическом отношении лишайники ЗЗМ принадлежат к трём группам - эпифиты (64%), эпик-силы (24%) и эпигеиды (12%) среди которых преобладают эпифиты (27 видов).
Берёзовые древостои не отличаются высоким видовым разнообразием лишайников. К наиболее массовым видам эпифитных лишайников в берёзовых лесах относятся Hypogymnia physodes, Parmelia sulcata, Cladonia coniocraea, Lecanora symmicta, Melanelia olivacea, Flavopunctelia soredica. Значительное увеличение разнообразия видов придаёт осина. Массовыми видами эпифитных группировок лишайников, развивающихся на осине, являются виды родов Caloplaca, Physcia, Phaeopyscia. Спектры семейств лихенофлоры характеризуется ведущей ролью Parmeliaceae, Cladoniaceae, Physciaceae. Частота встречаемости отдельных видов лишайников на модельных деревьях в районе СП и общее проективное покрытие лишайников в пределах СП приведены в таблице 3.
Дополнительно для оценки степени загрязнения атмосферного воздуха на СП в ЗЗМ в лишайниках оценивали содержание аминокислоты пролина, считающейся индикатором стресса. Она накапливается в условиях биотического и абиотического стрессового воздействия. Концентрация пролина возрастает в лишайниках вблизи дорог с интенсивным движением транспорта, вблизи заводов, населённых пунктов и др.
Это связано со снижением окисления пролина при стрессе, что приводит к увеличению его уровня [2], в том числе в лишайниках. Такое использование биохимических методов изучения лишайников в условиях антропогенной среды является современным усовершенствованием практического применения лихеноин-дикационных методов мониторинга загрязненности атмосферного воздуха [11].
Метод определения пролина основан на фотометрическом определении окрашенного продукта, образовавшегося в результате взаимодействия с нингид-рином продукта расщепления пролина сульфосали-циловой кислотой. Изучение содержания свободного пролина было проведено на лишайниках доминирующего вида Нуродутта physodes.
На содержание пролина изучены образцы лишайников, отобранных на СП-33 и СП-35 южнее завода по уничтожению ХО, СП-40 севернее завода, СП-56 между заводом и арсеналом, СП-89 северо-восточнее от арсенала и СП-98 южнее от арсенала (рисунок 2). Такое минимальное количество точек обусловлено гомогенным составом площадок (тип сообщества береза-осина), распространением и покрытием индикаторного вида.
Рисунок 2 - Содержание пролина в лишайниках в ЗЗМ объекта «Щучье» (мг на 1 г сырой массы)
Анализ экспериментального материала показывает, что в слоевищах лишайников СП ЗЗМ вблизи завода по уничтожению (СП 33, 35) и арсенала хранения ХО (СП 89, 98) содержание пролина низкое - 0,180,34 мг на 1 г сырой массы. На этих СП высокое проективное покрытие и богатое видовое разнообразие. Повышенное содержание пролина в Hypogymnia
Таблица 3 - Количество модельных деревьев с лишайниками на СП в ЗЗМ объекта «Щучье»
Эпифитные лишайники № СП Среднее
33 35 40 56 89 98
Hypogymnia physodes 10 7 7 8 10 7 8,2
Parmelia sulcata 10 8 4 10 8 2 7,0
Vulpicida pinastri 3 1 4 3 3 - 2,3
Evernia mesomorpha 6 1 - 4 4 7 3,7
Flavopunctelia soredica 2 10 6 7 1 8 5,7
Melanelia olivacea 7 2 1 5 3 - 3,0
Usnea hirta 5 1 - 1 2 - 1,5
Среднее проективное покрытие на СП, % 23 36 32 17 41 51 33,3
physodes, низкое проективное покрытие и скудное видовое разнообразие отмечено на СП-56 около села Наумовка, что характеризует повышенное антропогенное воздействие на природную среду, в том числе последствия низовых пожаров, вырубки леса, печное отопление.
Таким образом, по проценту проективного покрытия и содержанию пролина в лишайниках не отмечено негативного влияния на качество атмосферного воздуха в ЗЗМ объекта по уничтожению химического оружия в г. Щучье.
4 Результаты исследований мелких грызунов в ЗЗМ объекта «Щучье»
Организация мониторинга животного мира, особенно позвоночных животных, является одним из важнейших направлений биомониторинга, позволяющим наиболее объективно подойти к оценке воздействия объекта по уничтожению ХО на состояние природной среды в параметрах, сопоставимых с воздействием на организм человека. В отличие от мониторинга растительности отслеживаемые показатели состояния животного мира более изменчивы в пространственном и временном отношении, поэтому периодичность наблюдений ежегодная. Оценка влияния объекта по уничтожению химического оружия осуществлялась по состоянию мелких грызунов индикаторного вида в летние сезоны 2008-2013 годов.
Известно, что у грызунов популяционная авторегуляция присуща в основном доминирующим видам, а плотность второстепенных видов обычно не бывает высокой и лимитируется внешними факторами [7; 8]. Полевые работы, проведенные до начала работы объекта по уничтожению ХО, показали, что индикаторным видом мелких грызунов в ЗЗМ объекта «Щучье» является Полевка обыкновенная (Microtus arvalis Pall.) - 75-85%.
Для отлова живых мелких грызунов нами используется метод ловчих канавок [13] с некоторыми авторскими модификациями. Канавки длиной 10-15 м и глубиной 20-25 см выкапывали на открытом месте на краю поля рядом с лесным массивом или кустарником. Выемку пойманных животных из ловушек осуществляли рано утром, не позднее 8 часов, и сразу доставляли на одну из СП, оборудованную для забора от
пойманных животных биоматериала, или в лабораторию экотоксикологии.
Животных умерщвляли методом декапитации, 23 капли крови использовали для изготовления мазков для гематологических исследований, а из остальной крови после центрифугирования получали плазму для биохимических исследований. Для морфологических исследований при необходимости брали внутренние органы (печень, селезенка, желудок).
За 2009-2013 г.г. в ЗЗМ объекта «Щучье» было отловлено 125 мышевидных грызунов, из которых 105 особей составили Полевки обыкновенные (Microtus arvalis Pall.) (таблица 4). Результаты полевых работ 2008 г., проведенных до начала работы объекта «Щучье», стали контрольными («фоновыми») для дальнейших исследований, что позволило провести сравнительный анализ полученных исследованиях данных.
Общие данные по морфометрическим и физиологическим показателям полевки обыкновенной в выборках из точек ЗЗМ объекта по уничтожению химического оружия - вес и размер тела - представлены в таблице 5.
Для определения гематологических и биохимических показателей использовали разработанные лабораторией экотоксикологии и аттестованные Уральским научно-исследовательским институтом метрологии (г. Екатеринбург) методики: «Методику определения гематологических показателей в крови теплокровных животных микроскопическим методом», предназначенную для подсчета количества эритроцитов и лейкоцитов в камере Горяева и различных форм лейкоцитов визуальным методом при микроскопировании окрашенного мазка крови, и «Методику выполнения измерений биохимических показателей в плазме (сыворотке) крови мелких теплокровных животных фотометрическим методом» (свидетельства об аттестации № 224.11.17.025/2010 и №224.11.03.052/2009, соответственно). Результаты обрабатывали общепринятыми статистическими методами и выражали в виде M±s (где M - среднеарифметическое значение, s - стандартное отклонение); о достоверности различий величин судили по критерию Стьюдента (t) при р<0,05 [10].
Гематологические показатели в экотокси-
Номер СП 2009 г. 2010 г. 2011 г. 2012 г. 2013 г. Итого
26 5 4 1 1 3 14
28 8 1 0 3 2 14
33 1 1 0 2 3 7
35 11 3 2 5 7 28
41 9 1 1 1 7 19
56 13 1 4 1 4 23
Всего: 47 11 8 13 26 105
Таблица 5 - Морфометрические показатели вида Полевка обыкновенная (Microtus arvalis Pall.), отловленных в ЗЗМ объекта «Щучье» в 2009-2013 гг.
Показатель Значение показателя, М ± m
2009 год, n=39 2010 год, n=10 2011 год, n=24 2012 год, n=22 2013 год, n=26
Вес, г 26,2±1,6 27,6±5,1 28,4±3,1 15,5±2,8 17,6±8,6
Длина тела, мм 91,9±2,1 88,4±4,3 86,5±3,2 89,6±4,2 105,9±5,1
Таблица 4 - Количество отловленных мышей вида Полевка обыкновенная
кологических исследованиях. Кровь млекопитающих представляет собой высоко динамичную морфо-функциональную систему, которая незамедлительно реагирует на различные воздействия среды обитания, в том числе и на воздействие токсических факторов. В ответ на токсическое воздействие развиваются общие гематологические реакции, характеризующиеся изменениями количественного и качественного состава крови. Число клеток периферической крови - общее количество эритроцитов и лейкоцитов в периферической крови отражает общее состояние животного. Этот показатель позволяет оценить степень стимуляции или угнетения красного ростка костного мозга под воздействием различных неблагоприятных факторов внешней среды, а также белого ростка под влиянием ионизирующей радиации или химических агентов. Степень выраженности этих изменений обычно соответствует тяжести токсического воздействия на организм. Лейкоцитарная формула - процентное соотношение различных видов лейкоцитов, выделенных в пять основных видов по морфологическим признакам - нейтрофилы, лимфоциты, эозинофилы, базофилы и моноциты. Лимфоциты у мышевидных грызунов -наиболее многочисленная разновидность белых клеток крови, они составляют 65-90% всех лейкоцитов, увеличение числа которых имеет место при воспалительных процессах, эндогенных и экзогенных интоксикациях, стрессовых ситуациях. Лимфоциты являются главными клеточными элементами иммунной системы, образующиеся в костном мозге, это клетки иммунологической памяти, увеличение числа которых может происходить при воздействии органических и неорганических токсикантов, а уменьшение - при вторичных иммунных дефицитах.
Для отловленных особей Microtus arvalis Pall. контрольной группы (2008 г., n=34) были характерны следующие значения гематологических показателей крови (M±s): эритроциты - 7,74±1,81 млн/мкл, лейкоциты -7,56±1,17 ты.с/мкл, нейтрофилы - 1,53±1,17 тыс./мкл, лимфоциты - 5,81±4,08 тыс./мкл.
Среди отловленных животных в полевой сезон 2013 г. преобладали половозрелые особи с малой массой, поэтому полноценные гематологические и био-
химические исследования удалось провести лишь у 15 из них. При этом выявлено достоверное отличие основных гематологических показателей от таковых в контрольной группе, например увеличение числа эритроцитов (таблица 5). Однако необходимо отметить, что в целом общее число эритроцитов в крови животных за весь период наблюдений (2008-2013 годы) находилось в пределах норм, установленных для мышевидных грызунов [5]. Иная ситуация проявилась при исследовании белой крови. Абсолютное количество нейтрофилов и лимфоцитов в крови у грызунов из ЗЗМ объекта «Щучье» достоверно ниже контроля (таблица 6).
Среднее содержание лейкоцитов в крови животных за 2011-2012 годы вышло за пределы границ нормальных колебаний этого показателя, известных в литературе, и составило 28-46% от контрольных значений 2008 года. В 2013 году этот показатель возрос до 59%, но все еще остается существенно сниженным (рисунок 3). Лейкопения является негативным признаком, в основе которого лежит воздействие на популяцию мышевидных грызунов группы неблагоприятных факторов. Относительное содержание лимфоцитов и нейтрофилов, осуществляющих клеточный и гуморальный иммунитет, в исследованных группах животных в 2013 г. возросло, но осталось ниже значений контрольной группы 2008 года. Это свидетельствует о некоторой стабилизации в развитии патологических изменений в популяции грызунов.
На основании полученных данных невозможно сделать вывод о факторе или факторах, которые могут неблагоприятно воздействовать на популяцию мышевидных грызунов. Зима 2012-2013 гг. была благоприятна для грызунов, и наметилось некоторое улучшение гематологических показателей, достоверно возросло содержание эритроцитов в периферической крови, но нормализации показателей белой крови не произошло.
Биохимические показатели в экотоксиколо-гических исследованиях. Для оценки влияния антропогенных факторов на живые организмы перспективно исследование биохимических показателей, характеризующих обменные процессы теплокровных организмов.
Год, число мышей Статистич. показатель Эритроциты, млн/мкл Лейкоциты, тыс/мкл Нейтрофилы, тыс/мкл Лимфоциты, тыс/мкл
2009, n=16 M 7,99 6,69 1,65 4,84
s 2,16 1,44 1,04 1,36
2010, n=10 M 8,04 7,20 1,39 4,96
s 3,25 1,30 0,69 2,18
2011, n=8 M 7,94 3,50* 0,54* 2,91*
у 1,50 1,41 0,54 1,13
2012, n=5 M 7,17 2,10* 0,14* 1,95*
s 3,05 1,41 0,09 1,34
2013, n=15 M 9,63* 4,44* 0,41* 3,76*
s 3,87 2,75 0,27 1,36
Примечание: * - отмечены достоверные отличия по ^критерию Стьюдента прир<0,05; М - среднее значение, s - стандартное отклонение.
Таблица 6 - Гематологические показатели мышей вида Полевка обыкновенная в 2009-2013 гг., отловленных в ЗЗМ объекта по уничтожению химического оружия в Щучанском районе
Рисунок 3 - Изменения гематологических показателей грызунов вида Microtus arvalis Pall., отловленных в ЗЗМ (в % от контроля 2008 г.): * - достоверные отличия по t-критерию Стьюдента при p<0,05.
В своих исследованиях мы определяли в плазме крови мелких грызунов содержание общего белка, холестерина, мочевины и активность холинэстеразы.
Общий белок является одним из важнейших биохимических показателей, т.к. белки плазмы крови играют важную физиологическую роль в организме: поддерживают вязкость крови, определяют объем крови в сосудистом русле, удерживают форменные элементы крови во взвешенном состоянии, осуществляют транспорт многочисленных экзо- и эндогенных веществ, регулируют постоянство рН крови, участвуют в иммунных реакциях; изменения белков плазмы крови не являются специфическим, а отражают общий патологический процесс. Мочевина образуется в результате циклической последовательности реакций, протекающих в печени, и является конечным продуктом метаболизма белка у млекопитающих. Цикл мочевины протекает исключительно в печени. Повышение уровня мочевины в крови может наблюдаться при чрезмерном катаболизме белка, а уменьшение - при поражениях печени, вызванных, в частности, отравлением фосфорными соединениями, мышьяком и другими ядами. Холестерин содержится во всех клетках организма, синтезируется в печени, а на его основе идет синтез желчных кислот, половых гормонов, витамина D. Находясь в клеточных мембранах, холестерин участвует в регуляции проницаемости мембран, работе встроенных в мембрану ферментов, рецепторов, переносчиков. Сывороточная холинэстераза, субстратами которой являются сложные эфиры холина и уксусной, пропионовой и масляной кислот, синтезируется в печени и поступает в кровоток. Сывороточная холинэстераза предохраняет от инактивации ацетилхолинэстеразы, гидролизуя ингибитор данного фермента бутирилхолин, гидролизует многие токсичные фосфорорганические вещества и карбаматы, поступившие в организм извне, вместе с аце-тилхолинэстеразой участвует в передаче нервных импульсов. Активность сывороточной холинэстеразы -показатель функции печени, поэтому она имеет большое диагностическое значение.
Для отловленных особей Microtus arvalis Pall. контрольной группы (2008 г., n=34) были характерны следующие значения биохимических показателей крови
(M±s): общий белок - 44,3±22,2 г/л, холестерин -1,38±0,94 ммоль/л, мочевина - 12,0±7,1 ммоль/л, холинэстераза - 2781±2111 Е/л (таблица 7).
Сравнительный анализ биохимических показателей крови Microtus arvalis Pall., отловленных на наблюдаемых стационарных площадках, показал, что большинство показателей в 2009-2013 гг. находились в интервале значений контрольных групп (рисунок 4). Исключение составило достоверное снижение содержания мочевины и повышение - холестерина. Изменение содержания общего белка не было выражено, активность сывороточной холинэстеразы за период до 2012 г. имела тенденцию к увеличению, а в 2013 г. была близка к установленному контрольному значению. Незначительное увеличение содержания холестерина может быть обусловлено сезонными изменениями в рационе, а также индивидуальными особенностями особей вида. Содержание мочевины в плазме крови мышей лежит в пределах нормальных значений, но находится у нижней границы показателей контрольной группы.
Таким образом, в 2013 году видовое разнообразие мелких теплокровных животных (грызунов и насекомоядных) не претерпело значительных изменений. Наблюдается тенденция к замещению видов грызунов насекомоядными видами за счет увеличения количества последних. Морфометрические показатели для вида-индикатора Полевка обыкновенная (Microtus arvalis Pall.) имеют достоверно отличные показатели от животных, отловленных за 2009-2012 годы. Микроскопические исследования внутренних органов не выявили признаков отравления специфическими веществами, задействованными в процессе уничтожения химического оружия в г. Щучье.
Согласно результатам гематологических исследований выявленные изменения белой крови свидетельствуют об изменениях в иммунной сфере животных из ЗЗМ объекта «Щучье». Однако биохимические показатели крови индикаторного вида мелких грызунов для большинства стационарных площадок исследований находятся в интервалах нормальных значений, соответствующих контрольной группе.
Любые наблюдаемые изменения могут быть след-
Таблица 7 - Биохимические показатели крови мышей вида Полевка обыкновенная (Microtus arvalis Pall.), отловленных в 2009-2013 годах в ЗЗМ объекта «Щучье»
Показатель Год отлова Номера стационарных площадок наблюдений
26 28 33 35 41 56
Общий белок, г/л 2009 55,6 39,1 - 44,9 43,1 35,8
2010 41,3 45,4 - 49,2 40,5 34,8
2011 55,1 - - 43.5 41.2 50.4
2012 - 57,8 - 45,8 60,2 -
2013 48,9 45,6 38,9 46,6 48,4 37,7
Холестерин, моль/л 2009 2,44 1,26 - 1,27 1,14 0,92
2010 0,82 1,12 - 1,54 1,59 1,25
2011 1,38 - - 1.84 1.78 2.10
2012 - 4,91 - 1,94 1,99 -
2013 4,26 2,26 2,23 3,08 1,76 2,85
Мочевина, ммоль/л 2009 9,05 16,7 - 8,5 9,70 13,2
2010 19,4 5,26 - 13,4 10,5 5,9
2011 4,70 - - 5.47 3,97 6.03
2012 - 1,57 - 5,56 5,16 -
2013 6,37 6,58 5,39 5,87 4,70 5,47
Холинэстераза, Е/л 2009 1927 2880 - 2375 1527 2859
2010 2965 3085 - 3685 2746 1233
2011 2525 - - 6064 3695 3580
2012 - 2266 - 7472 4129 -
2013 2842 1762 3491 4321 2876 3314
Рисунок 4 - Изменения биохимических показателей крови грызунов вида Microtus arvalis Pall. в ЗЗМ (в % относительно контроля 2008 г., контроль - 100%): * - отмечены достоверные отличия при p<0,05.
ствием неблагоприятного влияния как антропогенных факторов, так и погодно-климатических воздействий. Одним из таких факторов может явиться попадание в окружающую среду экотоксикантов. Двухстадий-ная технология уничтожения ХО и данные химико-аналитических исследований природной среды, проводимых экоаналитической лабораторией РЦ ГЭКиМ, исключают возможность попадания в окружающую среду ЗЗМ продуктов уничтожения фосфорорганичес-ких отравляющих веществ. Однако фосфонаты могут явиться следствием распада некоторых гербицидов, в частности произведенных на основе глифоса-та. Именно такими гербицидами обрабатываются
сельскохозяйственные поля в ЗЗМ вокруг объекта по уничтожению ХО. Проведенные исследования по влиянию на организм грызунов одного из фосфона-тов - метилфосфоновой кислоты - свидетельствуют, что под влиянием даже малых доз этого вещества в организме животных могут происходить изменения метаболизма [15].
Из сказанного выше вытекает, что биологический мониторинг мышевидных грызунов в ЗЗМ объекта по уничтожению ХО в Щучанском районе Курганской области будет продолжен в последующие сезоны с целью получения достоверных выводов.
5 Результаты исследований агробиоценозов в ЗЗМ объекта «Щучье»
Агробиоценоз является искусственным сообществом культурных и сорных растений, экологическое состояние которых во многом зависит от элементов технологии (минеральные удобрения, пестициды, стимуляторы и т.д.). В связи с этим изучение воздействий, связанных с химическим загрязнением окружающей среды, представляет определенную сложность. Сорные растения не могут использоваться в качестве биоиндикаторов, т.к. обладают широкой экологической валентностью и высокой устойчивостью к токсинам. В связи с этим единственным объектом биологического мониторинга в этих условиях могут быть культурные растения. В качестве таковых используют продовольственные и кормовые культуры: пшеницу, рожь, овес, ячмень и картофель, клевер, эспарцет, козлятник.
В зоне ЗЗМ объекта «Щучье» сельскохозяйственное производство расположено на небольшой площади. Точки наших наблюдений совпадают с точками гематологических и биохимических исследований мелких грызунов. На полях выращивается две сельскохозяйственные культуры: яровая мягкая пшеница (ТгШсит aestivum) и рожь озимая ^еса!е сегеа1е L.) -по четырехпольному зернопаровому севообороту: пар -озимая рожь - пшеница первого года - пшеница второго года. Сравнительные показатели биологической продуктивности агробиоценозов в 2010-2013 годах представлены в таблице 8.
Гидротермические условия засушливого вегетационного периода 2010 года отразились на продуктивности сельскохозяйственных культур. При недостатке влаги формируется щуплое зерно, показатель массы 1000 семян низкий - 24,1 г (СП-33), биологическая продуктивность составила 176,4 г/м2. Наибольшая биологическая продуктивность получена в точке 34 и составила 190,1 г/м2. Математическая достоверная разница получена для показателя масса 1000 семян, наименьшая существенная разница (НСР05) составляет 1,49. По этому показателю наибольшее значение имеют точки 34 и 56.
В благоприятных условиях вегетационного пери-
ода 2011 года все показатели продуктивности возросли. Так, количество зерен с 1 м2 увеличилось от 18 до 67% (СП 33 и 56), показатель массы 1000 зерен дал прибавку от 35 до 72% (СП 33 и 56), количество зерен на одно растение возросло в 1,2-3,7 раза (СП 33 и 34). Длительная засуха 2012 года заметно сказалась на продуктивности пшеницы - отмечены самые низкие показатели урожайности. Количественные характеристики сильно варьировались от 1520 до 5489 зерен на квадратный метр (СП 26 и 28). Засуха повлияла на выполненность колоса (количество зерен на растение), было получено от 6,3 до 25,5 (СП 26 и 28) зерен на растение. Вегетационный период 2013 года охарактеризовался как достаточно влажный и холодный, весной повышение температуры было зафиксировано на две недели позже средних многолетних данных. Летом отмечено большое количество осадков и недостаточная сумма положительных температур, что привело к благоприятным условиям для развития грибных болезней. Это на конечном этапе повлияло на показатели биологической продуктивности яровой пшеницы. Количество зерен с квадратного метра варьировалось от 3310 до 6528 штук (СП 26 и 28), т.е. возросло относительно 2012 года. Наибольшая биологическая продуктивность получена на СП-28 - 249,8 г/м2
Таким образом, по результатам исследования агробиоценозов можно заключить, что колебания их продуктивности в первую очередь связаны с различными гидротермическими режимами вегетационных периодов, что снижает показатели урожайности сельскохозяйственных культур; негативного влияния на аг-робиоценозы в районе расположения объекта «Щучье» по уничтожению химического оружия не выявлено.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Важность и особенности биологического мониторинга в районе расположения объекта по уничтожению химического оружия в Щучанском районе Курганской области обусловлены разнообразием природного комплекса и большой площадью ЗЗМ. Стационарные площадки мониторинговых исследований располагаются в 2-10 км от источников загрязнения - завода по уничтожению и арсенала хранения химического оружия.
Показатель по годам Годы СП-26 СП-28 СП-33 СП-34 СП-41 СП-35 СП-56
Количество зерен 1 2 с 1 м , шт. 2010 пар пар 7327 6532 пар 6342 5240
2011 11594 11132 8632 9104 пар 10320 8803
2012 1520 5489 пар пар 4003 пар 4021
2013 3310 6528 18124* 16433* 4861 12495* пар
Масса 1000 зерен, г 2010 пар пар 24,1 29,1 пар 24,2 29,0
2011 40,7 39,9 41,4 39,0 пар 35,1 39,4
2012 28,6 39,9 пар пар 32,5 пар 40,0
2013 32,9 38,3 26,1* 26,0* 38,4 26,9* пар
Количество зерен на растение, шт. 2010 пар пар 12,7 27,7 пар 22,3 10,6
2011 44,8 48,4 47,7 32,9 пар 26,8 26,2
2012 6,3 25,5 пар пар 16,2 пар 19,3
2013 7,4 16,6 42,0* 38,7* 15,0 34,4* пар
Таблица 8 - Сравнительные показатели продуктивности зерновых на СП в ЗЗМ в 2010-2013 годах
Биологический мониторинг в ЗЗМ объекта «Щучье» проводился в 2009-2013 годах методами лесопатоло-гических исследований,лихеноиндикации, по показателям мелких грызунов индикаторных видов и продуктивности агробиоценозов. Лесопатологические исследования показали, что лесные массивы в ЗЗМ объекта «Щучье» не испытывают дополнительной негативной нагрузки, помимо установленных факторов ослабления антропогенного (низовые пожары) и природного (вымокание под воздействием почвенно-климати-ческих факторов) характера, и являются в целом стабильными системами. Исследования лихенофлоры показали, что в ЗЗМ объекта «Щучье» по биоморфологическому составу преобладают листоватые и кустистые лишайники, принадлежащие в экологическом отношении к трём группам - эпифитам, эпиксилам и эпигеидам с преобладанием эпифитов (64%). В эпифитах для оценки степени загрязнения атмосферного воздуха определяли содержание индикатора стресса -аминокислоты пролина. Содержание пролина в лишайниках вблизи завода по уничтожению и арсенала хранения химического оружия определено как низкое -около 0,2-0,3 мг на 1 г сырой массы. По проективному покрытию и содержанию пролина в лишайниках ЗЗМ не отмечено негативного влияния на качество атмосферного воздуха в ЗЗМ объекта«Щучье».
Оценка влияния объекта по уничтожению химического оружия осуществлялась по гематологическим и биохимическим показателям мелких грызунов индикаторного вида Полевка обыкновенная (Microtus arvalis Pall.) в летние сезоны 2008-2013 годов. Показатели крови отловленных в 2008 г. особей данного вида были использованы как контрольные для сравнения результатов, полученных в последующие годы. В 2013 году исследования крови взрослых особей Microtus arvalis Pall. выявили достоверное отличие основных гематологических показателей от таковых в контрольной группе: увеличение числа эритроцитов и снижение лейкоцитов, нейтрофилов и лимфоцитов, однако пока в пределах норм, установленных для мышевидных грызунов. Определение в плазме крови грызунов содержания общего белка, холестерина, мочевины и активности холинэстеразы за период 20092013 годы показало, что изменение содержания общего белка не выражено, а активность сывороточной холинэстеразы имела тенденцию к увеличению. Незначительное, но достоверное увеличение содержания холестерина и снижение содержания мочевины, может быть обусловлено сезонными изменениями в рационе, а также индивидуальными особенностями особей вида. Наблюдаемые изменения могут быть следствием влияния антропогенных и природных воздействий. Одним из таких факторов может быть попадание в окружающую среду экотоксикантов. С одной стороны, двухстадийная технология уничтожения химического оружия и данные химико-аналитических исследований природной среды исключают возможность попадания в окружающую среду продуктов детоксикации фосфорорганических ОВ, с другой стороны, к фосфонатам относится и гербицид глифосат,
которым обрабатываются сельскохозяйственные поля ЗЗМ. Биологический мониторинг мышевидных грызунов в ЗЗМ объекта «Щучье» показал, что исследования необходимо продолжать в последующие сезоны с целью получения достоверных выводов.
Результаты исследования агробиоценозов показали, что колебания продуктивности злаковых связаны с гидротермическими режимами вегетационных периодов; негативного влияния на агробиоценозы в районе расположения объекта «Щучье» не выявлено.
В целом проведенные биомониторинговые исследования в 2009-2013 годы не выявили негативного влияния объекта «Щучье» на состояние природной среды ЗЗМ.
Список литературы
1 Александров В. Н., Емельянов В. И. Отравляющие веще-
ства. - М. : Воениздат, 1990. - 268 с.
2 Бритиков Е. А. Биологическая роль пролина. - М. : Наука,
1985. - 88 с.
3 Бязров Л. Г. Лишайники в экологическом мониторинге. -
М. : Научный мир, 2002. - 336 с.
4 Егоров В. П., Кривонос Л. А. Почвы Курганской области. -
Курган : Зауралье, 1995. - 174 с.
5 Западнюк И. П., Западнюк В. И., Захария Е. А. Лаборатор-
ные животные. Разведение, содержание, использование в эксперименте. - Киев : Вища шк., 1983. - 383 с.
6 Западная Сибирь. - М. : АН СССР, 1963. - 488 с.
7 Ивантер Э. В. Популяционная экология мелких млекопита-
ющих таежного Северо-Запада СССР. - Л. : Наука, 1975. - 244 с.
8 Кошкина Т.В. Межвидовая конкуренция у грызунов //
Бюллетень МИОП. Отдел биологический. - 1971. - Т. 76. -Вып. 1. - С. 50-62.
9 Красная книга Курганской области. - Курган : Изд-во
Курганского гос. ун-та, 2012. - 448 с.
10 Лакин Г. Ф. Биометрия. - М. : Высш. школа, 1973. - 343 с.
11 Мокроносов А. П. Физиология растений на рубеже XXI
века // Физиология растений. - 2000. - Т. 47, № 3. -С. 341-342.
12 Науменко Н. И. Флора Южного Зауралья : дис. ... д-ра
биол. наук. - СПб., 2003. - 401 с.
13 Новиков Г. А. Полевые исследования по экологии назем-
ных позвоночных. - М. : Советская наука, 1953. - 502 с.
14 Плотникова О. М., Лунева С. Н., Корепин А. М. и др.
Биологическая активность метилфосфонатов: влияние метилфосфоновой кислоты на гомеостаз, методы исследования. - Курган : Изд-во Курганского гос. ун-та, 2011. - 120 с.
15 Плотникова О. М., Матвеев Н. Н., Савинова И. В. и др.
Оценка влияния низких доз метилфосфоната на теплокровных животных по биохимическим показателям крови мышей // Естественные и технические науки. - 2011. - № 1 (51). - С. 32-37.
16 Пчелкин А. В., Боголюбов А. С. Методы лихеноиндикации
загрязнений окружающей среды : методическое пособие. - М. : Экосистема, 1997. - 25 с.
17 Растегаев О. Ю., Чупис В. Н., Марьин В. И. и др. Фосфо-
рорганические отравляющие вещества. Свойства и методы определения. - Саратов : Фиеста-2000, 2009. -219 с.
18 Растительность степной и лесостепной зон Западной
Сибири. - Новосибирск : Изд-во СО АН СССР, 1963. - 442 с.
19 Савельева Е. И., Зенкевич И. Г, Кузнецова Т. А, Радилов А. С.
Исследование продуктов превращений фосфороргани-ческих отравляющих веществ методом ГХ-масс-спектрометрии // Рос. хим. журн. - 2002. - Т. 46, № 6. -С.82-91.
20 Холстов В. И., Фокин Е. А., Спиранде В. В. и др. Химичес-
кое разоружение. Практика обеспечения выполнения конвенционных обязательств по запрещению химического оружия и его уничтожению // Российский химичес-
кий журнал (Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева). - 2007. - Т. 51, № 2. -С. 4-8.
21 Холстов В. И. Химическое разоружение. Практика
обеспечения выполнения конвенционных обязательств по запрещению химического оружия и его уничтожению // Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева). - 2010. -Т. 54, № 4. - С. 5-9.
УДК 66-931.2 Ю.В. Емельянова
Курганский государственный университет
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ УСТАНОВОК ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Аннотация. В данной статье рассматриваются вопросы уменьшения энергопотребления установок химико-термической обработки за счет эффективного сжигания топлива.
Ключевые слова: энергопотребление, экономичность, отработанные газы, экологичность.
Y.V. Emelyanova Kurgan State University
IMPROVEMENT OF OPERATION EFFICIENCY OF THERMOCHEMICAL TREATMENT INSTALLATIONS
Abstract. The article deals with the problem of reducing the energy consumption of thermochemical treatment installations through efficient combustion.
Keywords: energy consumption, energy efficiency, waste gases, environmental compatibility.
Научно-технический прогресс базируется на различных возможностях применения принципиально новых и доработанных старых методах производства, замене морально устаревших технологических установок и агрегатов, внедрении безотходных и энергосберегающих технологий.
Проблема повышения эффективности сжигания топлива особенно остро стоит в сфере использования агрегатов химико-термической обработки, так как именно они являются основными потребителями топлива. Актуальность проблемы энергосбережения обуславливается не только значительным экономическим эффектом при экономии топливных ресурсов, но и широкими возможностями практической реализации проектных решений.
Экономичность сжигания газа является одним из основных факторов, влияющих на экономичность печи
в целом. Об экономичности использования газа в агрегатах химико-термической обработки судят по коэффициенту полезного действия, который во многом зависит от величины подачи газа.
Наиболее широко применима конструкция печи химико-термической обработки в контролируемой атмосфере с использованием радиационных нагревательных труб, в которой предусмотрен вывод отработанных газов через свечи с дожиганием в факеле.
Недостаток подобных устройств состоит в низкой тепловой экономичности. Отработанные печные газы, содержащие горючие компоненты, например, СО, СН4, NH3 и др., выбрасываются в атмосферу. При этом теряется значительное количество тепла. Кроме того, выбросы газов содержат вредные компоненты, например, СО, NHз и др., что ухудшает экологическую обстановку.
Устранить вышеперечисленные недостатки возможно с помощью утилизации химического тепла отработанных газов. Для этого [1] используются конструкции, в которых устройство для отвода газов выполнено в виде концентрично установленных одна в другую труб с глухими торцами, с одной стороны, и с патрубками - с другой. Со стороны глухого торца наружная труба имеет сквозные отверстия, а на внутренней поверхности выполнены небольшие отверстия. Патрубки для подачи атмосферы и устройство для отвода газов размещены по разные стороны садки (рисунок 1).
Камера печи обогревается газовыми радиационными трубами 1 . При достижении необходимой температуры в печь через трубы 2, 3 подаются необходимые газы с добавками природного газа или аммиака в зависимости от вида химико-термической обработки.
После прохождения газов через садку они попадают внутрь наружной излучающей трубы 4 через выполненные в ней отверстия 5. Там, в потоках воздушных струй, исходящих из внутренней перфорированной трубы 6, происходит их дожигание. Тепло, которое излучается при сгорании газов, проходит в печное пространство через стенку наружной излучающей трубы. Продукты сгорания отработанных печных газов выходят через патрубок.
В связи с тем, что дожигание горючих компонентов отработанных печных газов происходит не в факеле, а внутри печи, увеличивается коэффициент полезного действия [2].
Рассчитаем экономию газа, расходуемого на нагрев.
В среднем проходной агрегат химико-термической обработки с производительностью 600 кг/ час потребляет эндогаза 50 м3/час, природного газа - 12 м3/час. Суммарное потребление составляет 62 м3/ч горючего газа.
,
где Q - часовой расход газа,
77- коэффициент полезного действия,
Кз - коэффициент загрузки оборудования,
F - действительный фонд времени, рассчитываемый по формуле
